基于相对论的运动体电磁散射数值计算及其应用

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运动目标的电磁特征在理论和应用中具有重要地位。由于前人对运动体电磁散射的研究不涉及相对论效应,本文将在相对论框架内讨论运动体电磁散射的数值计算方法,并计算相对论效应。由于目标微动特征在目标分类方面有巨大应用潜力,本文将讨论微动目标电磁散射仿真以及基于微动特征的目标分类。  本文完成了以下工作:  (1)详细推导了一般时空中运动参考系的建立。先引入四标架,即基矢,这是建立坐标系的第一步。然后建立固有坐标系,描述固有坐标系的建立过程以及度规和电磁场的变换关系。将其应用于平直时空,得到坐标变换的解析形式。  (2)详细推导了一般时空中的电动力学理论。先引入一般时空中的Maxwell方程,详细推导出弯曲时空的等效本构关系。然后介绍电磁势,详细描述引出对偶磁势的数学过程以及电磁场用电磁势表达的完整形式。对一般时空的Green函数做了一定程度的近似,并推导了远场计算公式。  (3)将时域积分方程(Time Domain Integral Equation,TDIE)方法推广到加速系。Green函数采用加速系的形式,详细推导了在新的Green函数下TDIE方法阻抗矩阵的形式。  (4)讨论了平直时空中的五种运动形式的电磁散射。采用传统的时域有限差分法(Finite Difference Time Domain,FDTD)方法计算了匀速运动的Doppler效应。详细推导了初速度不为零的加速系与静止系的坐标变换关系与电磁场变换关系,用推广的TDIE方法计算了加速系中等效引力场产生的相对论效应。计算了圆周运动中向心加速度的相对论效应。分别计算了匀速运动的同时旋转和振动所引起的Doppler效应与微Doppler效应。  (5)讨论了引力场中的运动体电磁散射的计算方法。讨论了地球表面静止系的建立,即在Schwarzschild坐标系中建立静止系。讨论了一般运动参考系的设置。将时域有限体积法(Finite Volume Time Domain,FVTD)扩展到一般时空,从而可以计算一般时空中的电磁散射问题。  (6)讨论了目标微动特征的仿真与分类。分别用目标近似解析模型和散射中心模型对微动目标的电磁散射做了仿真计算。然后讨论了基于微动特征的目标分类。目标回波通过希尔伯特-黄变换(Hilbert-Huang Transform,HHT)获得特征向量,用支持向量机(Support Vector Machine,SVM)作分类器获得分类结果。
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